《Journal of Environmental Management》：Pasture resilience: phenological patterns and critical thresholds in the face of climate change
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本研究基于高分辨率遥感数据，分析葡萄牙雨养牧草沿气候梯度分布的物候模式，发现存在三个空间连续的牧草类型，其形成主要受干旱指数和夏季温度阈值驱动，揭示气候临界点对生态系统的影响，为适应性管理提供依据。
Maria Espírito Santo | Adriana Príncipe | Alice Nunes | Helena C. Serrano | Jo?o Nuno Silva | Cristina Branquinho | Maria Alexandra Oliveira
cE3c – 生态、进化与环境变化中心及全球变化与可持续性研究所，里斯本大学理学院，葡萄牙里斯本1749-016
摘要
依赖雨水的牧场的物候模式与区域气候条件紧密相关，这使得这些系统特别容易受到气候变化的影响。过去几十年中，年度植物生长周期的变化已被广泛记录下来。牧场物候的变化会显著影响支撑初级生产力的生态功能以及关键生态系统服务的提供，从而对其管理和有效政策的实施产生影响。理解物候模式及其驱动因素对于识别脆弱区域、减轻风险以及管理这些农业生态系统以维持其生态功能至关重要。我们采用时空分析法，分析了从半干旱气候到温带气候区域的牧场物候模式。通过高分辨率遥感数据，我们发现了三种具有空间连续性的牧场类型，这些类型基于生长季节时间和生产力指标的变化。机器学习集成模型显示，气候变量（尤其是干旱程度和夏季温度）以及土壤和地形（控制水分可用性）决定了物候群。物候群与其驱动因素之间的非线性关系表明，存在潜在的关键气候临界点，即干旱指数低于约0.8或夏季最高温度高于约29°C时。我们的发现突显了牧场生态系统对气候变化的敏感性及其潜在的临界点。这些知识可以为未来气候变化对牧场生态系统服务的影响提供指导，并为制定适应性管理策略和农业政策提供依据，以增强其韧性。
引言
依赖雨水的永久性牧场通过多种生态功能支持全球超过20亿人口（联合国防治荒漠化公约，2017年），其中最主要的功能是为牲畜提供生物质。这些牧场占所有农业用地的三分之二（粮农组织，2023年），并提供了重要的调节服务，如生物多样性保护以及地球生物地球化学循环的维持，包括碳的封存和储存（Bengtsson等人，2019年）。由于气候变化的压力，这些系统在过去几十年中发生了显著变化，影响了依赖它们的生物过程和生态系统服务（Berdugo等人，2020年）。
放牧牧场表现出周期性的生长模式，这些模式是针对年度内和年度间的气候条件演变而来的，通常呈钟形曲线（Jenerette等人，2010年）。这些年度动态构成了系统的物候特征，可以通过13个参数来描述，例如返青日期、季节长度和季节生产力（Dronova和Taddeo，2022年）。研究长期序列中的物候模式可以揭示生态系统对气候压力的响应（Brown等人，2012年；Pan等人，2023年；Ramos等人，2015年），并提供关于气候变化情景下可能的发展轨迹的见解。然而，群落层面的物候响应对环境控制因素的反应是复杂的，且往往是非线性的（Jenerette等人，2010年；Ramos等人，2015年）。这些反应不仅取决于单个植物对环境信号的敏感性，例如季前温度（Xia和Wan，2012年）和季节内的降水量（Jenerette等人，2010年），还取决于气候与生物和非生物因素（如地形、生物多样性和土壤特性）之间的相互作用（Hwang等人，2011年；Luo等人，2020年）。这些环境因素筛选了存在的物种库，极大地决定了植物群落的组成，从而影响群落层面的物候，因为不同物种具有不同的策略，这些策略由间接的物种间相互作用（如资源竞争）或直接的植物间相互作用（如植物间的信号传递）形成，导致物候时间的差异化（Wolf等人，2017年；Ansquer等人，2009年）。管理措施（如放牧和刈割）进一步与这些因素相互作用，影响植被生长（Maestre等人，2022年；Zhou等人，2023年）。这导致了时间和空间尺度上高度复杂的物候模式（Cong等人，2024年；Zelikova等人，2015年）。牧场生长的开始和衰老与水文和温度条件密切相关。例如，在干旱地区，较高的冬季降水量会导致生长季节提前开始（Currier和Sala，2022年），而在温带气候中，春季和冬季的温度是决定返青日期的主要因素（Cong等人，2024年；Pan等人，2023年；Yu等人，2010年；Ren等人，2018年）。季节末的动态则与降水量或水分可用性更为相关（Ramos等人，2015年；Ren等人，2018年）。Zelikova等人（2015年）对半干旱草原的局部物候动态进行了时间评估，发现整个季节存在差异。他们还表明，在水分受限的条件下，温度升高通常对生产力的促进作用会变得相反。从空间上看，物候时间及其控制因素存在区域性和海拔差异（Guo等人，2024年；Wang等人，2016年；Yu等人，2010年；Guo等人，2024年；Hwang等人，2011年），这主要是由于温度和降水量变化所致。
时空研究通常用于评估生态系统状态指标的空间分布与潜在的解释性环境变量之间的关系，以揭示沿环境梯度的替代生态系统状态的初步证据（Hirota等人，2011年；Scheffer等人，2012年；Lenton等人，2024年；Berdugo等人，2017年）。这依赖于识别功能性和结构性生态系统指标（如生产力或覆盖度）与线性变化的环境因素（如干旱程度）之间的非线性关系。了解全季节物候模式如何根据环境进行空间分布，可以推断出在不同条件下生态功能（如初级生产力）是否得以维持，从而衡量这些系统对气候变化带来的环境不确定性的韧性（Oliver等人，2015年；Smith和Boers，2023年）。
大多数关于草本植物主导植被生长模式驱动因素的研究集中在一两个物候指标上，例如生长季节的开始日期或长度（Pan等人，2023年；Smith和Boers，2023年），以及有限数量的环境变量（Cong等人，2024年）。相比之下，针对区域尺度的气候梯度的研究较少，而针对物种、局部和全球尺度的研究则更为常见（Brown等人，2012年；Currier和Sala，2022年；Pan等人，2023年；Ren等人，2018年；Zelikova等人，2015年；Yu等人，2010年）。
物候可以通过直接观察（Xia和Wan，2012年）、近地表传感器（如通量塔和PhenoCams（Ren等人，2018年；Yang等人，2020年）或卫星传感器（Ren等人，2018年；Yu等人，2010年）来追踪。尽管局部方法和操控实验可以提供有关物种策略和机制过程的信息（Currier和Sala，2022年；Guo等人，2024年；Liu等人，2022年），但它们受到后勤限制（资源和时间需求大），这减少了数据的时间和空间覆盖范围，限制了结果在国家级决策中的实用性。在过去的几十年中，遥感技术使得能够评估更大范围内的物候模式（Yang等人，2020年）。从多光谱卫星数据计算出的植被指数中提取年度植被生长趋势，用于像素级别的物候事件监测（Ramos等人，2015年；Ferreira等人，2021年）。从遥感数据中提取物候指标存在一些重要挑战，例如可用图像的粗略时间和空间分辨率（Brown等人，2012年；Yang等人，2020年），这可能导致更细微的变化被掩盖或估计值出现高误差（Watson等人，2019年；Yu等人，2010年）。高分辨率、预处理过的开放获取遥感产品的日益普及，如高分辨率植被物候参数（HR-VPP，10×10米，5天分辨率）（CLMS，2023年），可以改进和推进物候模式的研究，填补当前的知识空白。最重要的是，在缺乏长时间序列和高空间时间分辨率的情况下，进行时空替代研究，分析生态系统属性沿空间环境梯度的变化，可以提供有关它们如何应对未来环境压力的宝贵见解（Blois等人，2013年；Frasconi Wendt等人，2020年），表明它们的韧性。
鉴于环境因素对牧场生长时间和空间动态的不同影响，是否可以根据年度物候的差异和相似性来区分沿空间气候梯度的牧场？如果是这样，哪些环境因素在驱动这种分区？尽管管理方式多样，区域尺度的非生物因素（如温度）是否重要？最后，是否存在任何气候阈值来划定这些模式的空间边界，以便了解气候变化可能引起的物候变化？为了回答这些问题，本文结合了高分辨率遥感物候参数、聚类分析和机器学习算法XGBoost，首先检测牧场类型，然后确定最能解释它们差异的变量。
研究区域的植被-土壤-气候特征
我们的研究区域位于葡萄牙大陆，主要属于地中海气候类型，特点是季节性明显——冬季湿润寒冷，夏季干燥炎热——以及年际变化（Mora和Vieira，2020年）。该国可以分为两个主要的K?ppen-Geiger气候区：北部的Csb（温带地中海气候）和南部的Csa（炎热夏季地中海气候）（Mora和Vieira，2020年）。这些特征形成了南北和东西方向的气候梯度，进一步得到
物候空间聚类分析
聚类分析显示，在研究区域的南北和东西轴线上存在三种牧场类型（图1），生命周期事件（如生长季节的开始）和PPI（即植物物候指数）的幅度存在差异（图2a和b）（表S3a–c）。主导群体是第2组（占所有记录的45.38%），其特征是生长季节开始得最早，大约在二月底
讨论
我们的结果揭示了根据物候模式空间组织的三种不同类型的牧场。位于东南部的牧场表现出较早的物候响应和较低的生产力，而位于北部的牧场则生产力较高但物候响应较晚，第三种牧场类型主要位于该国中部，表现出较低的生产力和较长且较晚的生长季节。
结论
放牧牧场根据温度和水分可用性的影响，在研究的气候梯度上形成了三个空间连续的物候区域。这提醒我们，目前该地区实施的“一刀切”的农业政策存在不足，并敦促我们考虑牧场生态系统对未来气候预测的脆弱性。我们的结果还强调了当地土壤和地形条件对牧场的调节作用
CRediT作者贡献声明
Maria Espírito Santo：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，形式分析，数据管理。Adriana Príncipe：撰写 – 审稿与编辑。Alice Nunes：撰写 – 审稿与编辑，方法论。Helena C. Serrano：撰写 – 审稿与编辑，方法论。Jo?o Nuno Silva：撰写 – 审稿与编辑，软件，方法论。Cristina Branquinho：撰写 – 审稿与编辑，方法论，概念化。Maria Alexandra Oliveira：撰写 – 审稿与编辑，资源管理。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Cristina Branquinho报告称获得了PPR Recuperar Portugal的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了葡萄牙政府的支持，通过AdaptForGrazing项目（项目编号PPR-C05-i03-I-000035），该项目由PRR（恢复与韧性计划）资助，属于农业、食品和农业产业可持续性的研究与创新议程[农业20|30创新议程]。AN和MAO通过FCT（科学技术基金会）共同资助（DOI 10.54499/CEECIND/02453/2018/CP1534/CT0001
